Цинк-иодная батарея с нанотрубками сохранила 89,34% ёмкости после 10 000 циклов в лаборатории

Исследователи из Цзилиньского университета и Чанчуньского института прикладной химии (Китай) разработали водную цинк-иодную батарею, которая сохранила 89,34% исходной ёмкости после более чем 10 000 циклов заряда и разряда, сообщает Interesting Engineering. По данным команды, это соответствует более чем 3500 часам непрерывной работы. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗ Результаты опубликованы в журнале Science China Chemistry.

Почему деградируют иодные катоды

Водные цинк-ионные батареи обычно используют катоды на основе иода: они обеспечивают стабильную работу при длительном циклировании, быстрый заряд и разряд и потенциально высокую запасаемую энергию. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗ Однако такие катоды плохо проводят ток, меняют структуру в ходе циклов и пропускают ионы иода через ячейку. Этот «челночный эффект» снижает эффективность, ускоряет деградацию материалов и сокращает срок службы батареи. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗

Чтобы решить проблему, авторы изменили химию функциональных групп катода и создали самонесущие катоды из углеродных нанотрубок (SSCC). Они сравнили адсорбцию иода на нанотрубках, функционализированных гидроксильными (‒OH), карбоксильными (‒COOH) и аминными (‒NH₂) группами, и на немодифицированных. Спектроскопия и микроскопия подтвердили введение групп и равномерную загрузку иода. По словам авторов, гидроксилированные нанотрубки удерживали ионы иода на месте, что снизило потери энергии. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗

Результаты испытаний и прототип пакетной ячейки

В лабораторных тестах катод показал начальную обратимую ёмкость 175,5 мА·ч/г при плотности тока 1 А/г. После более чем 10 000 циклов сохранилось 89,34% исходной ёмкости. При 10 А/г ёмкость составила 120 мА·ч/г, а ресурс — 93 400 циклов. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗

Комбинационное рассеяние in situ во время работы и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ex situ после циклирования показали, что формы иода многократно и обратимо превращаются друг в друга. Исследователи сообщают, что модифицированный катод устранил челночный эффект иода: ионы иода не задерживались в электролите. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗

Команда также собрала более крупный прототип пакетной ячейки со 150 мг иода. Она работала при 1,1 В, показала фактическую ёмкость 23,8 мА·ч и сохранила 91,7% исходной ёмкости после 350 циклов. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗ Авторы заключают, что изменение функциональных групп катода — простой способ улучшить кинетику превращения иода и стабилизировать водные цинк-иодные батареи на основе металлического цинка. interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗